光譜共焦傳感器的應(yīng)用和展望
隨著精密制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)精密測(cè)量技術(shù)的要求越來(lái)越高。光譜共焦傳感器作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，其取得新突破能夠提升檢測(cè)技術(shù)的水平。光譜共焦傳感器測(cè)量技術(shù)作為幾何量精密測(cè)量的基礎(chǔ)，不僅需要超高測(cè)量精度，而且需要對(duì)環(huán)境和材料的廣泛適應(yīng)性，并且逐步趨于實(shí)時(shí)、無(wú)損檢測(cè)。與傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法相比，共聚焦傳感器具有高速度，高精度，高適應(yīng)性等明顯優(yōu)勢(shì)，光譜共焦的精度比普通激光位移傳感器的精度要高很多，光譜共焦的基本是納米級(jí)的精度，而普通激光的高也是微米級(jí)的。光譜共焦的量程卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通激光位移傳感器。
光譜共焦傳感器廣泛用于各種物體感測(cè)和材料屬性分析。高光譜成像對(duì)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行光譜分析，可實(shí)現(xiàn)寬范圍測(cè)量。高光譜相機(jī)已經(jīng)用于苛刻環(huán)境條件下的醫(yī)療、工業(yè)、空間和環(huán)境感測(cè)。
光譜共焦傳感器未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?，可能再各個(gè)領(lǐng)域取得突破，如搭載光譜傳感器的智能手機(jī)，可實(shí)現(xiàn)果蔬糖分、水分，藥品真?zhèn)?，皮膚年齡，酒類品質(zhì)等各種日常用品檢測(cè)，管理人體健康，成為隨身攜帶的個(gè)性化健康管理集成終端，或者醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用于檢測(cè)各種疾病以及治療。
光譜共焦傳感器在設(shè)計(jì)色散鏡頭時(shí)，除了要考慮其軸向色差外，還要考慮如下因素：
1）增大物方數(shù)值孔徑可以提高分辨率；
2）增大像方數(shù)值孔可以提高光源利用率；
3）減小系統(tǒng)球差可以提高精度；
4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要易于裝配和調(diào)整。
以上這些關(guān)于光譜共焦傳感器因素是相互制約的，增大數(shù)值孔徑的同時(shí)系統(tǒng)球差也隨之變大， 如果要校正球差系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)就會(huì)變得復(fù)雜，所以光譜共焦傳感器色散鏡頭設(shè)計(jì)的目的是用少的透鏡達(dá)到理想的效果。光譜共焦傳感器的光學(xué)系統(tǒng)可以看成兩個(gè)部分，一部分是消色差場(chǎng)鏡，它的焦點(diǎn)在光源處，把點(diǎn)光源準(zhǔn)直成平行光，另一部分為色散物鏡，它的作用是把不同波長(zhǎng)的平行光聚焦在軸上的不同位置，形成光譜色散，而消色差透鏡和非球面透鏡正好可以起到這樣的作用。
由于光譜共焦傳感器系統(tǒng)要分析反射回光纖的光譜光強(qiáng)分布情況，所以對(duì)共焦過(guò)程進(jìn)行了模擬，在仿真過(guò)程中，將平面鏡置于焦面處，使通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光經(jīng)過(guò)平面鏡反射后又回到光學(xué)系統(tǒng)，并成像在光源位置。通過(guò)觀察像面處的點(diǎn)列圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面鏡設(shè)置在不同波長(zhǎng)的焦面處時(shí)，聚焦波長(zhǎng)在像面處的彌散斑較小，而其他波長(zhǎng)的彌散斑較大。
在光譜共焦傳感器中得到的光譜信息包括光纖內(nèi)部返回的背景光和從被測(cè)物表面返回的信號(hào)光。為了得到有用的信號(hào)光，首先需要對(duì)背景光進(jìn)行采集，然后從光譜儀得到的數(shù)據(jù)中減去背景光。此外還要考慮光源光譜光強(qiáng)分布不均勻的影響。
由于光譜共焦傳感器中CCD像元有一定尺寸，相當(dāng)于對(duì)原始的光譜進(jìn)行了離散采樣，所以可能會(huì)出現(xiàn)漏峰的情況。如果使用原始光譜數(shù)據(jù)中的大值作為峰值波長(zhǎng)會(huì)影響定位的精度，因此需要選用合適的算法對(duì)譜峰位置進(jìn)行確定。質(zhì)心法是常用的峰值定位算法，適用于處理關(guān)于峰值位置對(duì)稱的光點(diǎn)信號(hào)。
